3. Возможная роль глиальных клеток в  обеспечении нейронов АТФ. (Л. М. Чайлахян Институт проблем передачи информации АН  СССР,  Москва,  СССР)

         В общей проблеме о функциональной роли нейроглии существует важный и интересный вопрос—являются ли глиальные клетки источ­ником энергии для нейронов? Он возникает в связи с тем, что глиальные клетки, с одной стороны, не уступают нейронам по интенсивности энергетического обмена, в частности, но окислительному фосфорилированию, т. е. в производстве АТФ, но, с другой стороны, должны потреблять гораздо меньше энер­гии, чем нейроны, так как электрически пассивны. Для обоснова­ния подобной точки зрения важно достаточно аккуратно сравнить энергетические потребности для поддержания ионных градиентов у нейронов и глиальных клеток. В настоящем сообщении сделаны та­кие количественные оценки, результаты которых позволяют сформулировать гипотезу о возможной роли глиальных клеток в обеспечении нейронов АТФ.

              В первую очередь нужно оценить необходимые энергетические затраты нейрона для поддержания ионных градиентов в покое и сравнить их с таковыми у глиальных клеток. Для последующих рас­четов на основании литературных данных была приняты следую­щие геометрические и электрофизиологические параметры для обоб­щенного нейрона и глиальной клетки.

         Геометрические параметры нейрона: объем нейрона  принимался равным объему шара диаметром 30н м - что соот­ветствовало величине Он=1.4.10-8 см3, а площадь поверхности (Sн)-соот­ветствовала увеличенной в 5 раз поверхности такого шара, что составляло Sн=1.4.10-4 см3.               

         Геометрические параметры глиальной клетки: объем главной клетки (Оr) принимался равным объему шара с диаметром 14нм, что соответствовало величине Оr=0,14.10-8см2, а площадь поверх­ности (Sr) соответствовала увеличенной в 5 раз поверхности такого шара, что составляло Sr=0.3.10-4 см2.

      Электрофизиологические параметры нейрона и гли­альной клетки: мембранный потенциал у нейрона в покое-Vмн= -70мв, у глиальной клетки Vмг= -89мв, потенциалы равновесия по ионам калия (Vк) и ионам натрия (VNA), а также удельные проводимости поверх­ностной мембраны у нейрона и глиальной клетки не отличались и прини­мались-Vk=-90мв, VNA=-60мв,      gm=10-3 с/см2/так как проводимость поверхностной мембраны в основном определяется ионами калия, то при­нималось-gm=gk. Кроме того принималось, что у глиальной клетки от­сутствует электрогенная Na, К-помпа. Решающие доводы в пользу послед­него допущения были представлены на симпозиуме «Функции нейроглии» в Тбилиси в докладе Р. Г. Гроссмана. Было показа­но, что инъекция ионов натрия в глиальные клетки не приводит к появлению какой-либо заметной гиперполяризации, что свидетельствовало бы об электрогенной помпе, как это было показано в сходных опытах на нейронах моллюска.

         Исходные предпосылки для расчетов. На основании принятых  электрофизиологических   параметров, соответствующих большому количеству исследований, при использовании известно­го уравнения Гольдмана—Ходжкина—Катца легко показать, что отношение проницаемостей для ионов натрия (РNA) и калия (Рк) у ней­ронов примерно на 1,5 порядка выше, чем у глиальной клетки-у нейрона PNA/Pk=0,031, а у глиальной клетки РNA/Pk=0,001.

Для последующих расчетов использовали уравнения:

gk(Vk-Vми)=gNAн(VNA-Vмн)               (2)

gk(Vk-Vмг)=gNAг(VNA-Vмг)                (3)

которые отражают условия равновесия в состоянии покоя  у рас­сматриваемых клеток, когда пассивный ток ионов калия наружу дол­жен быть равен пассивному току ионов натрия внутрь. Уравнение  для нейрона, строго говоря, выполняется, если Na, К-насос, как для глиальных клеток, электронейтрален,  т. е. стехиометрический ко­эффициент для активных потоков ионов натрия наружу и ионов ка­лия внутрь равен. Однако, поправка на электронность будет лишь увеличивать энергетические затраты нейрона на ионные потоки.

         На основании уравнений [2] и [3] и принятых нами параметров для нейрона и глиальной клетки можно вычислить величины ионных токов для этих клеток на единицу поверхности клетки (см2) или веса (гр) и времени (секунды, часы, сутки). Знание электрохимиче­ских градиентов для ионов калия и ионов натрия позволяет от зна­чений токов перейти к оценкам соответствующих энергий. Очевидно, что энергия, затрачиваемая на Nа,         К-насосы, поддерживающая пассив­ные ионные потоки, должна быть не меньше оцениваемой нами опи­санным способом.

         Результаты расчетов. Существенно оценить затраты энер­гии у разных тканей на единицу поверхности клеток, так как эти оценки непосредственно отражают интенсивности ионных потоков и не зависят от размеров и формы клеток.

         Для нейрона в покое получено: 0,3*10-5вт/см2. Если принять, что частота работы нейрона в среднем составляет 15-30 импульсов в се­кунду, то сравнительные оценки по пассивным потокам у нервных кле­ток в покое я при возбуждении дают основания предполагать, что затраты на сохранения ионного гомеостаза при такой работе нейрона могут увеличиваться в два-три раза, т. е. достигать 1 • 10-5вт/см2.

         Интересно заметить, что вычисленные нами затраты энергии для идеализированного нейрона на единицу поверхности удивительно хо­рошо совпали с экспериментальными данными Конноли и Крейнфельда, полученными для гигантского аксона кальмара на основании из­мерений потребления кислорода – 0,5*10-5 вт/см2.

Для глиальных клеток вычисленные энергетические затраты на ионный гомеостаз были такие: 0,15*10-6 вт/см2. Видно, что энергети­ческие затраты на единицу площади на работу Na, К-насоса у глиальной клетки должны быть в 20—60 раз меньше, чем у нейрона.

         Знание отношения S/O у нейрона (104) и у глиальной клетки (2,14*104) позволяет перейти от затрат на работу насосов на единицу поверхности к затратам на единицу массы соответствующей ткани. Вот эти цифры: для нейрона в покое -0,3*10-1вт/гр, для работающе­го нейрона  -l*10-1вт/гр,            для глии -0,32*10-2вт/гр. Видно, что и в пересчете на единицу массы энергетические затраты у глиальных кле­ток на насосы в десятки раз меньше, чем у нейрона.

         Сравнение энергетических затрат у нейрона на ионный гомеостаз и синтетические процессы. Пред­ставленные оценки могут не производить сильного впечатления, если думать, что затраты на ионный транспорт в нервной клетке составля­ют небольшой процент от всех суммарных энергетических затрат. Однако, видимо, это не так.

         Для нервных клеток энергетические затраты на ионный гомео­стаз составляют подавляющий процент во всем энергетическом ба­лансе.

         Для подтверждения этой точки зрения можно привести сравни­тельные оценки энергетических затрат у нейрона и глиальной клетки на ионный транспорт и синтетические процессы, в частности, на син­тез белка. Примем, что интенсивность синтеза белка в нервной клет­ке такова, что за сутки происходит полное воспроизведение всех белков. Зная процентное содержание белка  в нервных клетках (8% от веса клетки) можно оценить количество пептидных связей на единицу веса ткани. А знание необходимой энергии для синтеза од­ной пептидной связи (примерно гидролиз трех молекул АТФ до АДФ) позволяет оценить соответствующие энергетические расходы на вос­произведение белка за сутки.

         Для нейрона в покое и при активации, а также для глиальной клетки выше уже приводились данные об энергетических затратах. Для удобства сравнения с затратами на синтетические процессы они также будут пересчитаны на сутки.

         Вот эти цифры. На ионный транспорт энергетические затраты в сутки у нейрона в покое -2592вт/гр, при активности -5000 -7500вт/гр, у глиальной клетки -258 вг/гр, а на синтетические про­цессы у нейрона и глиальной клетки указанной выше интенсивности расходуется в сутки—61. гр.

         Расчеты показывают, что на столь интенсивный синтез белка, как полное его воспроизведение за сутки, нервная клетка в покое должна затрачивать в 42 раза меньше энергии, чем на ионные насосы, а при ак­тивной работе в 123 раза меньше. Даже у глиальной клетки на ионные насосы затрачивается в 4,2 раза больше энергии, чем на столь интенсив­ные синтетические процессы.

         Поистине, дорого стоит нервной ткани поддержание в боевой готов­ности натриево-калиевого механизма генерации и проведения нервного импульса — практически на это идут все энергетические затраты.

         Все это означает, что если глиальные клетки в целом способ­ны с такой же интенсивностью синтезировать АТФ как и нейроны, то АТФ у них должна быть в избытке. И из соображений целесообраз­ности естественно предположить возможность прямого использования этого избытка нейронами.

         Формулировка гипотезы. Можно предложить возможный путь потока АТФ из глиальных клеток в нейроны на основе уже из­вестных механизмов. Этот путь должен состоять из двух этапов.

         Первый этап — это выброс АТФ из глиальных клеток при их де­поляризации ионами калия во время активации соседних нейронов (имеются убедительные данные, что при калиевой деполяризации гли­альные клетки активно секретируют в межклетники ряд еще неидентифицированных соединений).

         Второй этап — это поступление АТФ из межклетников в пресинаптические окончания по механизму пиноцитозного поглощения (в пресннатических окончаниях показано существование процесса об­ратной секреции—типа пиноцитоза).

         С точки зрения этой гипотезы нейроглия является общим рас­пределенным энергетическим резервуаром, снабжающим нейроны уни­версальным биологическим топливом — АТФ. Активность того или иного нейронного пула сразу же приводит к калиевой деполяризации глиальных клеток, окружающих эти нейроны. Они начинают секретировать АТФ в межклетники, а оттуда через активированные пресинаптические окончания эта АТФ может поступать по механизму пиноцитозного поглощения в нейроны. Таким образом, при реализации подобной возможности видна большая целесообразность во взаимодействии ней­ронов и глиальных клеток—поток АТФ из глиальных клеток в ней­роны четко регулируется самой нейронной активностью: чем активнее работает нейрон, тем больше АТФ в него будет поступать.

         Важно также заметить, что наличие щелевых контактов между глиальными клетками создает условия для эффективного диффузионного обмена АТФ глиальными клетками. Другими словами система глиальных клеток, окружающая нейроны, может в этой связи рассмат­риваться как единая непрерывная диффузионная среда, в которой мо­гут осуществляться градиентные потоки АТФ в участки мозга с наи­большим потреблением АТФ, т. е. в места наибольшей нейрон­ной активности. Таким образом, может происходить своеобразная кооперация глиальных клеток при обеспечении АТФ наиболее нужда­ющихся нейронов.

         Высказанные соображения мало чего стоят, пока не будут полу­чены прямые экспериментальные данные в пользу сформулированной гипотезы.

Заключение.

         В заключение хочу обобщить все сказанное.

         Во всех органах человеческого тела, кроме мозга, функционирующие клетки удерживаются вместе межклеточным веществом соединительной ткани. В нервной системе эту роль выполняет глия ( от греч. глия-клей), клетки которой образуются из общих с нейронами предшественниц на раннем этапе развития мозга. Глия создает опору для нейронов, объединяет отдельные элементы нервной системы, но, в то же время, изолируют друг от друга разные группы нейронов, а также большую часть их аксонов. Тем она формирует структуру мозга. Численность клеток глии превышает нейронов в мозгу  приблизительно в 10 раз. Эти клетки отличаются друг от друга по внешнему виду и по выполняемой функции.

         Самым распространенными среди клеток глии являются астроциты, например, в мозолистом теле они составляют 1/4 всех клеток глии. У астроцита неправельной, звездчатой формы тело с многочисленными и относительно длинными отростками, один из которых направлены к нейронам, а другие- к кровеносным капиллярам. Эти отростки расширяются на концах, образуя т. н. астроцитарную ножку. На поверхности капилляра отростки соседних астроцитов плотно смыкаются друг с другом и практически полностью обвертывают кровеносный сосуд. Подобная изоляция сосуда является одним из способов формирования гематонцефалического барьера- границы между кровью и нервной тканью, закрытой для многих находящихся в крови веществ.

         Другие отростки астроцита почти целиком обертывают тела нейронов. Если нейрон возбуждается длительно, вокруг него повышается концентрация ионов калия, а это может уменьшить возбудимость соседних нейронов. Астроциты предупреждают такую возможность, поглощая излишки калия, тем самым они выполняют функцию буфера. Некоторые клетки глии при этом деполяризуются, а поскольку они связаны между собой щелевыми контактами, между деполяризованными и находящимися в покое клетками возникает ток. Это, однако, не приводит к возбуждению, так как в мембране клеток глии очень мало потенциалзависимых каналов для натрия и калия. Не смотря на, что повышение концентрации ионов калия у астроцитов изменяет некоторые их свойства, в настоящее время нет достаточных оснований считать их прямыми участниками переноса нервных импульсов.

         Особую роль клетки глии выполняют, по-видимому, во время развития мозга. Некоторые их разновидности регулируют напровление перемищения нейронов в определенные регионы растущего мозга, а также напровление роста аксонов. Другие клетки глии возможно участвуют в питании нервных клеток путем регуляции кровотока, а тем самым транспорта глюкозы и кислорода.  

Литература.

1.Костюк П. Г. «Структура и функция биологических мембран» М., «Наука» 1975 г.

2.Шульговский В. В. «Физиология ЦНС» Изд. Моск. универ. 1997 г.

3.Недоспасов В .О. «Физиология ЦНС» М.: ООО УМК «Психология» 2002 г.

Страницы: 1, 2, 3